Un sistema de control distribuido ( DCS ) es un sistema de control computarizado para un proceso o planta generalmente con muchos bucles de control , en el que los controladores autónomos están distribuidos por todo el sistema, pero no existe un control de supervisión del operador central. Esto contrasta con los sistemas que utilizan controladores centralizados; ya sean controladores discretos ubicados en una sala de control central o dentro de una computadora central. El concepto DCS aumenta la confiabilidad y reduce los costos de instalación al localizar las funciones de control cerca de la planta de proceso, con monitoreo y supervisión remotos.
Los sistemas de control distribuido surgieron por primera vez en industrias de procesos grandes, de alto valor y de seguridad crítica, y eran atractivos porque el fabricante de DCS suministraba tanto el nivel de control local como el equipo de supervisión central como un paquete integrado, reduciendo así el riesgo de integración del diseño. Hoy en día, la funcionalidad de los sistemas SCADA y DCS es muy similar, pero el DCS tiende a usarse en grandes plantas de proceso continuo donde la alta confiabilidad y seguridad son importantes y la sala de control no está geográficamente remota. Muchos sistemas de control de máquinas exhiben propiedades similares a las de los sistemas de control de plantas y procesos. [1]
El atributo clave de un DCS es su confiabilidad debido a la distribución del procesamiento de control alrededor de los nodos del sistema. Esto mitiga una falla de un solo procesador. Si un procesador falla, sólo afectará a una sección del proceso de la planta, a diferencia de un fallo de un ordenador central que afectaría a todo el proceso. Esta distribución de potencia informática local a los bastidores de conexión de entrada/salida (E/S) de campo también garantiza tiempos de procesamiento rápidos del controlador al eliminar posibles retrasos en el procesamiento central y de red.
El diagrama adjunto es un modelo general que muestra los niveles funcionales de fabricación utilizando control computarizado.
Refiriéndose al diagrama;
Los niveles 1 y 2 son los niveles funcionales de un DCS tradicional, en el que todos los equipos forman parte de un sistema integrado de un único fabricante.
Los niveles 3 y 4 no son estrictamente control de procesos en el sentido tradicional, sino donde tiene lugar el control y la programación de la producción.
Los nodos del procesador y las pantallas gráficas del operador están conectados a través de redes patentadas o estándar de la industria, y la confiabilidad de la red aumenta mediante cableado de redundancia dual a través de diversas rutas. Esta topología distribuida también reduce la cantidad de cableado de campo al ubicar los módulos de E/S y sus procesadores asociados cerca de la planta de proceso.
Los procesadores reciben información de los módulos de entrada, procesan la información y deciden las acciones de control que serán señalizadas por los módulos de salida. Las entradas y salidas de campo pueden ser señales analógicas , por ejemplo, bucle de corriente CC de 4–20 mA o señales de dos estados que se activan o desactivan, como contactos de relé o un interruptor semiconductor.
Los DCS están conectados a sensores y actuadores y utilizan control de punto de ajuste para controlar el flujo de material a través de la planta. Una aplicación típica es un controlador PID alimentado por un medidor de flujo y que utiliza una válvula de control como elemento de control final. El DCS envía el punto de ajuste requerido por el proceso al controlador, quien le indica a una válvula que opere para que el proceso alcance y permanezca en el punto de ajuste deseado. (consulte el esquema de 4–20 mA, por ejemplo).
Las grandes refinerías de petróleo y plantas químicas tienen varios miles de puntos de E/S y emplean DCS de gran tamaño. Sin embargo, los procesos no se limitan al flujo de fluidos a través de tuberías, y también pueden incluir cosas como máquinas de papel y sus controles de calidad asociados, variadores de velocidad y centros de control de motores , hornos de cemento , operaciones mineras , instalaciones de procesamiento de minerales y muchos otros .
Los DCS en aplicaciones de muy alta confiabilidad pueden tener procesadores redundantes duales con conmutación "en caliente" en caso de falla, para mejorar la confiabilidad del sistema de control.
Aunque 4–20 mA ha sido el principal estándar de señalización de campo, los sistemas DCS modernos también pueden admitir protocolos digitales de bus de campo , como Foundation Fieldbus, profibus, HART, modbus , PC Link, etc.
Los DCS modernos también admiten redes neuronales y aplicaciones de lógica difusa . Investigaciones recientes se centran en la síntesis de controladores distribuidos óptimos, que optimizan un cierto H-infinito o el criterio de control H2. [2] [3]
Los sistemas de control distribuido (DCS) son sistemas dedicados que se utilizan en procesos de fabricación continuos u orientados por lotes.
Los procesos donde se podría utilizar un DCS incluyen:
El control de procesos de las grandes plantas industriales ha evolucionado a través de muchas etapas. Inicialmente el control sería desde paneles locales hasta la planta de proceso. Sin embargo, esto requirió una gran cantidad de supervisión humana para atender a estos paneles dispersos y no había una visión general del proceso. El siguiente desarrollo lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. Efectivamente, se trataba de la centralización de todos los paneles localizados, con las ventajas de niveles de personal más bajos y una visión general más sencilla del proceso. A menudo, los controladores estaban detrás de los paneles de la sala de control y todas las salidas de control automáticas y manuales se transmitían a la planta. Sin embargo, aunque proporcionaba un enfoque de control central, esta disposición era inflexible ya que cada bucle de control tenía su propio hardware de controlador y se requería el movimiento continuo del operador dentro de la sala de control para ver las diferentes partes del proceso.
Con la llegada de los procesadores electrónicos y las pantallas gráficas, fue posible reemplazar estos controladores discretos con algoritmos basados en computadora, alojados en una red de racks de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Estos podrían distribuirse por planta, y comunicarse con el display gráfico de la sala o salas de control. Nació el sistema de control distribuido.
La introducción de DCS permitió una fácil interconexión y reconfiguración de los controles de la planta, como bucles en cascada y enclavamientos, y una fácil interfaz con otros sistemas informáticos de producción. Permitió un manejo sofisticado de alarmas, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como registradores de gráficos, permitió que los bastidores de control se conectaran en red y, por lo tanto, se ubicaran localmente en la planta para reducir los recorridos de cableado y proporcionó descripciones generales de alto nivel del estado y la producción de la planta. niveles.
Los primeros miniordenadores se utilizaron en el control de procesos industriales desde principios de los años 1960. La IBM 1800 , por ejemplo, fue una de las primeras computadoras que tenía hardware de entrada/salida para recopilar señales de proceso en una planta para su conversión desde niveles de contacto de campo (para puntos digitales) y señales analógicas al dominio digital.
El primer sistema informático de control industrial se construyó en 1959 en la refinería Texaco Port Arthur, Texas, con un RW-300 de Ramo-Wooldridge Company. [4]
En 1975, tanto Yamatake-Honeywell [5] como la firma japonesa de ingeniería eléctrica Yokogawa introdujeron sus propios DCS producidos de forma independiente: los sistemas TDC 2000 y CENTUM, respectivamente. Bristol, con sede en EE. UU., también presentó su controlador universal UCS 3000 en 1975. En 1978, Valmet introdujo su propio sistema DCS llamado Damatic (la última generación se llamó Valmet DNA [6] ). En 1980, Bailey (ahora parte de ABB [7] ) introdujo el sistema NETWORK 90, Fisher Controls (ahora parte de Emerson Electric ) introdujo el sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (ahora también parte de ABB [8] ) introdujo DCI- 4000 (DCI significa Instrumentación de control distribuido).
El DCS surgió en gran medida debido a la mayor disponibilidad de microcomputadoras y la proliferación de microprocesadores en el mundo del control de procesos. Los ordenadores ya se utilizaban desde hacía algún tiempo en la automatización de procesos, tanto en forma de control digital directo (DDC) como de control de consigna. A principios de la década de 1970, Taylor Instrument Company (ahora parte de ABB) desarrolló el sistema 1010, Foxboro el sistema FOX1, Fisher Controls el sistema DC 2 y Bailey Controls los sistemas 1055. Todas estas eran aplicaciones DDC implementadas dentro de minicomputadoras ( DEC PDP-11 , Varian Data Machines , MODCOMP , etc.) y conectadas a hardware propietario de entrada/salida. De esta manera se implementó un sofisticado (por aquel entonces) control continuo y por lotes. Un enfoque más conservador fue el control de puntos de ajuste, donde las computadoras de proceso supervisaban grupos de controladores de procesos analógicos. Una estación de trabajo proporcionó visibilidad del proceso mediante texto y gráficos de caracteres crudos. La disponibilidad de una interfaz gráfica de usuario completamente funcional estaba muy lejos.
Un elemento central del modelo DCS fue la inclusión de bloques de funciones de control. Los bloques de funciones evolucionaron a partir de conceptos DDC tempranos y más primitivos del software "controlado por tabla". Una de las primeras realizaciones de software orientado a objetos, los bloques de funciones eran "bloques" de código autónomos que emulaban componentes de control de hardware analógico y realizaban tareas que eran esenciales para el control de procesos, como la ejecución de algoritmos PID. Los bloques de funciones continúan siendo el método de control predominante para los proveedores de DCS y, en la actualidad, cuentan con el respaldo de tecnologías clave como Foundation Fieldbus [9] .
Midac Systems, de Sydney, Australia, desarrolló un sistema de control digital directo distribuido orientado a objetos en 1982. El sistema central ejecutaba 11 microprocesadores que compartían tareas y memoria común y se conectaba a una red de comunicación en serie de controladores distribuidos, cada uno de los cuales ejecutaba dos Z80. El sistema fue instalado en la Universidad de Melbourne. [ cita necesaria ]
La comunicación digital entre controladores distribuidos, estaciones de trabajo y otros elementos informáticos (acceso de igual a igual) fue una de las principales ventajas del DCS. La atención se centró debidamente en las redes, que proporcionaban las importantes líneas de comunicación que, para las aplicaciones de proceso, debían incorporar funciones específicas como el determinismo y la redundancia. Como resultado, muchos proveedores adoptaron el estándar de red IEEE 802.4. Esta decisión preparó el escenario para la ola de migraciones necesarias cuando la tecnología de la información pasó a la automatización de procesos y prevaleció IEEE 802.3 en lugar de IEEE 802.4 como LAN de control.
En la década de 1980, los usuarios comenzaron a considerar los DCS como algo más que un simple control de procesos básico. La empresa australiana Midac completó un ejemplo muy temprano de un DCS de control digital directo en 1981-1982 utilizando hardware diseñado por R-Tec en Australia. El sistema instalado en la Universidad de Melbourne utilizó una red de comunicaciones en serie, conectando los edificios del campus a una sala de control "frontal". Cada unidad remota ejecutaba dos microprocesadores Z80 , mientras que la parte frontal ejecutaba once Z80 en una configuración de procesamiento paralelo con memoria común paginada para compartir tareas y que podía ejecutar hasta 20.000 objetos de control simultáneos.
Se creía que si se podía lograr la apertura y se podían compartir mayores cantidades de datos en toda la empresa, se podrían lograr cosas aún mayores. Los primeros intentos de aumentar la apertura de los DCS dieron como resultado la adopción del sistema operativo predominante en la época: UNIX . UNIX y su tecnología de red complementaria TCP-IP fueron desarrollados por el Departamento de Defensa de Estados Unidos con fines de apertura, que era precisamente el problema que las industrias de procesos buscaban resolver.
Como resultado, los proveedores también comenzaron a adoptar redes basadas en Ethernet con sus propias capas de protocolo patentadas. No se implementó el estándar TCP/IP completo, pero el uso de Ethernet hizo posible implementar las primeras instancias de gestión de objetos y tecnología de acceso global a datos. En la década de 1980 también se vieron los primeros PLC integrados en la infraestructura DCS. También surgieron historiadores de toda la planta para capitalizar el alcance ampliado de los sistemas de automatización. El primer proveedor de DCS en adoptar tecnologías de red UNIX y Ethernet fue Foxboro, quien introdujo el sistema Serie I/A [10] en 1987.
El impulso hacia la apertura en la década de 1980 cobró impulso durante la década de 1990 con la mayor adopción de componentes comerciales listos para usar (COTS) y estándares de TI. Probablemente la mayor transición emprendida durante este tiempo fue el paso del sistema operativo UNIX al entorno Windows. Si bien el ámbito del sistema operativo en tiempo real ( RTOS ) para aplicaciones de control sigue dominado por variantes comerciales en tiempo real de UNIX o sistemas operativos propietarios, todo lo que está por encima del control en tiempo real ha hecho la transición a Windows.
La introducción de Microsoft en las capas de escritorio y servidor dio como resultado el desarrollo de tecnologías como OLE para control de procesos (OPC) , que ahora es un estándar de conectividad industrial de facto. La tecnología de Internet también comenzó a dejar su huella en la automatización y en el mundo, y la mayoría de DCS HMI admiten la conectividad a Internet. La década de 1990 también fue conocida por las "Guerras de Fieldbus", donde organizaciones rivales compitieron para definir lo que se convertiría en el estándar de bus de campo IEC para comunicación digital con instrumentación de campo en lugar de comunicaciones analógicas de 4 a 20 miliamperios. Las primeras instalaciones de buses de campo se produjeron en los años 90. Hacia finales de la década, la tecnología comenzó a cobrar un impulso significativo, consolidándose el mercado en torno a Ethernet I/P, Foundation Fieldbus y Profibus PA para aplicaciones de automatización de procesos. Algunos proveedores construyeron nuevos sistemas desde cero para maximizar la funcionalidad con el bus de campo, como Rockwell PlantPAx System, Honeywell con sistemas SCADA Experion y Plantscape , ABB con System 800xA, [11] Emerson Process Management [12] con el control DeltaV de Emerson Process Management sistema, Siemens con el SPPA-T3000 [13] o Simatic PCS 7, [14] Forbes Marshall [15] con el sistema de control Microcon+ y Azbil Corporation [16] con el sistema Harmonas-DEO. Se han utilizado técnicas de bus de campo para integrar máquinas, variadores, aplicaciones de monitoreo de calidad y condición en un DCS con el sistema Valmet DNA. [6]
Sin embargo, el impacto de COTS fue más pronunciado en la capa de hardware. Durante años, el negocio principal de los proveedores de DCS había sido el suministro de grandes cantidades de hardware, particularmente E/S y controladores. La proliferación inicial de DCS requirió la instalación de cantidades prodigiosas de este hardware, la mayor parte fabricado desde abajo hacia arriba por proveedores de DCS. Sin embargo, los componentes informáticos estándar de fabricantes como Intel y Motorola hacían que a los proveedores de DCS les resultara prohibitivo seguir fabricando sus propios componentes, estaciones de trabajo y hardware de red.
A medida que los proveedores hicieron la transición a componentes COTS, también descubrieron que el mercado de hardware se estaba reduciendo rápidamente. COTS no sólo resultó en costos de fabricación más bajos para el proveedor, sino también en precios en constante disminución para los usuarios finales, quienes también expresaban cada vez más lo que percibían como costos de hardware excesivamente altos. Algunos proveedores que anteriormente eran más fuertes en el negocio de PLC , como Rockwell Automation y Siemens, pudieron aprovechar su experiencia en la fabricación de hardware de control para ingresar al mercado de DCS con ofertas rentables, mientras que la estabilidad/escalabilidad/confiabilidad y funcionalidad de estos emergentes Los sistemas siguen mejorando. Los proveedores tradicionales de DCS introdujeron el sistema DCS de nueva generación basado en los últimos estándares de comunicación e IEC, lo que resultó en una tendencia de combinar los conceptos/funcionalidades tradicionales para PLC y DCS en una solución única, denominada " Sistema de automatización de procesos " (PAS). . Las brechas entre los diversos sistemas persisten en áreas tales como: integridad de la base de datos, funcionalidad de preingeniería, madurez del sistema, transparencia de la comunicación y confiabilidad. Si bien se espera que la relación de costes sea relativamente la misma (cuanto más potentes sean los sistemas, más caros serán), la realidad del negocio de la automatización suele ser operar estratégicamente caso por caso. El siguiente paso de evolución actual se llama Sistemas Colaborativos de Automatización de Procesos.
Para agravar el problema, los proveedores también se estaban dando cuenta de que el mercado de hardware se estaba saturando. El ciclo de vida de los componentes de hardware, como E/S y cableado, también suele oscilar entre 15 y más de 20 años, lo que constituye un mercado de reemplazo desafiante. Muchos de los sistemas más antiguos que se instalaron en las décadas de 1970 y 1980 todavía se utilizan hoy en día, y existe una considerable base instalada de sistemas en el mercado que se están acercando al final de su vida útil. Las economías industriales desarrolladas de América del Norte, Europa y Japón ya tenían miles de DCS instalados y, con pocas o ninguna planta nueva en construcción, el mercado de nuevo hardware se estaba desplazando rápidamente hacia regiones más pequeñas, aunque de más rápido crecimiento, como China y América Latina. y Europa del Este.
Debido a la contracción del negocio de hardware, los proveedores comenzaron a hacer la desafiante transición de un modelo de negocio basado en hardware a uno basado en software y servicios de valor agregado. Es una transición que todavía se está haciendo hoy. La cartera de aplicaciones ofrecidas por los proveedores se amplió considerablemente en los años 90 para incluir áreas como gestión de producción, control basado en modelos, optimización en tiempo real, gestión de activos de planta (PAM), herramientas de gestión del rendimiento en tiempo real (RPM), gestión de alarmas , y muchos otros. Sin embargo, para obtener el verdadero valor de estas aplicaciones, a menudo se requiere un contenido de servicios considerable, que también proporcionan los proveedores.
Los últimos desarrollos en DCS incluyen las siguientes nuevas tecnologías:
Cada vez más, e irónicamente, los DCS se están centralizando a nivel de planta, con la capacidad de iniciar sesión en el equipo remoto. Esto permite al operador controlar tanto a nivel empresarial (macro) como a nivel de equipo (micro), tanto dentro como fuera de la planta, porque la importancia de la ubicación física cae debido a la interconectividad principalmente gracias al acceso inalámbrico y remoto.
Cuanto más se desarrollan y perfeccionan los protocolos inalámbricos, más se incluyen en DCS. Los controladores DCS ahora suelen estar equipados con servidores integrados y brindan acceso web sobre la marcha. Queda por ver si DCS liderará el Internet industrial de las cosas (IIOT) o tomará prestados elementos clave.
Muchos proveedores ofrecen la opción de una HMI móvil, lista para Android e iOS . Con estas interfaces, la amenaza de violaciones de seguridad y posibles daños a la planta y al proceso ahora es muy real.